Ferraattiyhdisteet vedenkäsittelyssä

Abstract

Ferraatti on laajahko yleisnimitys raudan hypervalenttisille (+IV, +V, +VI) anionisille komplekseille. Tämä kirjallisuustutkielma käsittelee pääosin raudan oksoanionia Fe(VI), (FeO_4^[2-]). Ferraatit ovat aika epästabiileja yhdisteitä, jotka helposti pelkistyvät raudan yleisimmille hapetusasteille +II ja +III. Ferraattien stabiilius kasvaa olosuhteiden alkalisuuden kasvaessa.

Ferraattiyhdisteet ovat olleet kasvavan kiinnostuksen kohteena vedenkäsittelyssä johtuen osittain sen korkeasta hapetuspelkistyspotentiaalista (+2,20 V happamissa olosuhteissa ja +0,70 V alkalisissa olosuhteissa). Ferraatti kykenee hapettamaan useita epäpuhtauksia jätevedestä ilman haitallisten sivutuotteiden kuten trihalometaanien ja haloetikkahappojen muodostumista. Hapetuspelkistyspotentiaalinsa ansiosta ferraattia voidaan käyttää myös desinfioinnissa, jolloin ferraatti voi hapettaa eloperäisen aineksen soluseinämää ja RNA- tai DNA-ketjua. Hapetusmekanismin aikana ferraatti pelkistyy välivaiheiden kautta kolmenarvoisiksi raudan hydroksidispesieksiksi. Nämä hydroksidispesiekset voivat osallistua koagulointiprosessiin, joka edelleen parantaa käsiteltävän veden laatua. Koagulointi voi olosuhteista ja ferraattiannostuksesta riippuen tapahtua joko varauksen neutralointi- tai pyyhkäisykoagulointimekanismilla. Oikeissa olosuhteissa ferraatti voi saavuttaa vertailukelpoisia tai parempia tuloksia kaupallisia kemikaaliratkaisuja pienemillä annostuksilla.

Ferraattia voidaan syntetisoida pääasiallisesti kolmella tavalla: kuivahapetus, märkähapetus ja sähkökemiallinen synteesi. Kirjallisuudessa märkähapetus ja sähkökemiallinen synteesi ovat yleisempiä synteesitapoja. Sähkökemiallista synteesiä pidetään näistä menetelmistä ”vihreimpänä” vaihtoehtona, sillä se vaatii lähinnä sähkövirtaa, rautalähteen ja elektrolyyttiliuoksen, joka on yleensä joko natriumhydroksidi tai kaliumhydroksidi. Sähkökemiallisen synteesin suurin haaste on anodimateriaalin passivoituminen, jossa anodimateriaalin pinnalle muodostuu rautaoksidikerros, joka estää reaktiot anodin pinnalla ja siten ferraatin muodostumisen.

Tällä hetkellä ferraattia ei ole laajamittaisesti otettu käyttöön vedenkäsittelyssä, vaan ferraattitutkimus on ollut pitkälti laboratoriomittakaavassa. Suurin syy tähän on stabiilin tuotteen valmistaminen ja varastointi. Kuitenkin ferraatti on tällä hetkellä ainoa tunnettu kemikaali, jota voidaan käyttää hapetukseen, desinfiointiin ja koagulointiin samanaikaisesti.

Ferrate is a broad general term for hypervalent (+IV, +V, +VI) anionic iron complexes. However, this thesis will mainly focus on the oxyanion ferrate(VI) (FeO_4^[2-]). Ferrates are rather unstable compounds that readily reduces back to iron’s more common oxidation states (+II, +III) and they are most stabile at highly alkaline solutions.

Due to its high redox potential (+2,20 V in acidic environments and +0,70 V in alkaline environments) ferrate(VI) has gained an increasing interest in wastewater treatment applications. Ferrate(VI) is able to oxidize many contaminants in wastewater without generating potentially harmful disinfection by-products such as haloacetic acids and trihalomethanes. Ferrate can also be applied as a disinfectant where it can oxidize both viral and bacterial contaminant’s cell membranes and their RNA/DNA chains. After oxidation has taken place, ferrate(VI) has reduced into iron’s different trivalent hydroxide species. These species can undergo a coagulation process which further increases the quality of treated water. The coagulation can occur either by a charge neutralization mechanism or a sweep mechanism depending on the pH of the solution and concentration of iron in the solutions. In right conditions ferrate(VI) can achieve comparable or better results with smaller dosage than the commercial counterparts.

Ferrate(VI) can be synthetized via three main methods: dry oxidation, wet oxidation and an electrochemical route. The dry oxidation is a rarer occurrence in the literature while both wet oxidation and electrochemical method are more prevalent. The electrochemical method is considered the greenest option for ferrate synthesis as it only requires some electricity, a source for iron and an electrolyte solution which is often sodium hydroxide or potassium hydroxide. The largest hinderance for electrochemical synthesis of ferrate(VI) is the passivation of anode material in which iron oxide layer forms over the anode material blocking the free sites and preventing reactions and further generation of ferrate(VI).

At this moment ferrate has not been applied to wastewater treatment in large scale mainly because the difficulty of manufacturing and storing a stabile product. However, ferrate(VI) is currently the only known chemical that could be used as an oxidant, disinfectant and a coagulant simultaneously.